日本再生水利用相关政策标准及典型案例分析
发布时间:2024-01-29

  0  引言

  日本的年平均降水量约为1697毫米,约为世界平均水平的1.4倍,但由于国土面积小,人口众多,人均水资源储量约为3400立方米/(人·年),不到世界平均水平[约为7300立方米/(人·年)]的一半。日本年平均降水量的长期变化表明,小雨年(干旱年)和大雨年的降水量差距逐渐拉大,小雨年降水量趋于减少、干旱问题将进一步加剧。日本水资源地区分布不均,尤其是经济发达的关东沿海地区(东京都、横滨市等),人均水资源量仅为410立方米/(人·年),属于极度缺水地区。近年来,日本的总人口持续减少,且愈发向日本三大都市圈(东京都市圈、大阪都市圈和名古屋都市圈)集中,导致都市圈地区用水需求不断增加。

  为缓解水资源短缺,保障供水的稳定性和持续性,日本国家和地方政府相继开展了再生水利用工作。1973年,日本开始了多余工业用水用作城市杂用水的实践。1978年,福冈市发生异常干旱后,率先将再生水作为冲厕用水。1984年,东京都开展“清流复活项目”,开展了将再生水作为景观环境用水的利用实践。目前,日本已将再生水广泛用于补充地表水、景观环境用水、农业用水和城市杂用水等利用途径。日本再生水利用模式主要包括就地循环、局域循环和广域循环3种。截至2019年,日本全国约有2200座污水处理厂,污水处理量约为152.7亿立方米/年。其中,再生水厂(处理水用于厂外再生利用的污水处理厂)的数量为300座,再生水利用量约为2.1亿立方米/年,约占污水处理总量的1.4%。

  日本在再生水长期利用实践中,除技术理论研究外,在政策标准制定、工程示范应用等方面积累了丰富的经验。日本缺水地区,如东京、福冈等城市,开展了因地制宜的再生水利用工作,制定和实施了相应的政策法规、水质标准、技术导则和示范性工程,相关成果和经验可为我国开展再生水利用管理研究和工程实践提供重要指导和借鉴。

  1  日本再生水利用政策法规和标准规范

  1.1  政策法规

  为缓解水资源短缺矛盾、减轻水环境污染等水环境问题,自1973年以来,日本中央和地方政府,不断制定和完善再生水利用相关政策和法律法规,旨在进一步提升再生水利用量、扩大再生水利用范围和途径(见表1)。日本再生水利用途径,从最初的城市杂用水,逐步向公共机构用水、冲厕用水、景观环境用水等途径拓展。日本政府颁布的再生水利用指导文件涉及的内容包括拓展利用途径意见、示范工程项目信息、再生水处理技术导则、再生水水质标准等。日本政府还制定了系列财政补贴政策,如农林水产金融公社等机构为再生水(生活杂用水)的处理设施提供低息贷款(设置农业基础设施开发基金等)、为具有再生水设施的建筑物制定特殊的容积率政策等。近年来,日本国会和水循环政策本部也相继出台了水循环基本法、水循环基本计划等文件,从法律法规层面保障再生水行业有序发展。此外,日本政府还根据政策推广、再生水工作发展等情况对原有政策和措施进行不断完善和修订。

  日本是一个水资源丰沛的国家,日本全国性的再生水政策多侧重于对再生水利用的鼓励和推广,不具有强制性。然而,由于水资源地域和季节分布不均、人口稠密等原因,日本部分地区缺水较为严重。日本缺水地区主要集中于关东沿海地区(东京都、横滨市等)、北九州地区(福冈市)和东海地区,这些地区逐步出台了强制性再生水利用政策措施。如表2所示,福冈县、千叶县、香川县、东京都、福冈市等均出台了相关政策,规定在特定建筑物内部需强制进行再生水的利用。

  1.2  标准规范

  标准规范是再生水行业健康发展的重要保障。日本现行再生水相关的国家标准主要包括国土交通省于2005年发布的《下水处理水的再生利用标准》和日本厚生劳动省于1981年发布的《建筑物环境卫生管理》标准。《下水处理水的再生利用》国家标准主要针对集中式污水再生处理系统生产的再生水,其规定了冲厕用水、城市绿化及道路清扫用水、观赏性景观环境用水、娱乐性景观环境用水等四类主要利用途径的再生水水质要求。《建筑物环境卫生管理》国家标准规定了再生水用于城市绿化用水、观赏性景观环境用水、道路清扫用水以及冲厕用水的水质要求,主要适用于建筑物内集中供应的再生水利用场景。日本现行地方标准以东京都2003年发布的《水的有效利用设施指南》和福冈市2003年发布的《福冈市再生水利用下水道事业条例施行规则》为代表。东京都地方标准《水的有效利用设施指南》规定了冲厕用水和其他杂用水两类用水的再生水水质要求;福冈市地方标准规定了再生水一般水质要求,尚未区分不同利用类别。

  我国颁布的《城市污水再生利用分类》(GB/T18919-2002)和《水回用导则再生水分级》(GB/T41018-2021)国家标准对再生水典型用途和级别进行了归类和划分,出台的《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920-2020)、《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T18921-2019)、《城市污水再生利用地下水回灌水质》(GB/T19772-2005)、《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T19923-2005)、《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》(GB20922-2007)、《城市污水再生利用绿地灌溉水质》(GB/T25499-2010)等国家标准,对不同用途的再生水水质进行了规范要求。相比而言,日本的再生水标准仅对部分利用途径的再生水水质进行了规定要求。

  表3为日本《下水处理水的再生利用》国家标准中针对不同再生水利用途径的水质要求,其规定了大肠杆菌、浊度、pH、外观、色度、嗅味和余氯等7个基本水质指标的具体限值。相比而言,我国《城市污水再生利用》系列国家标准中,除上述指标外,还包括了对有机物(COD、BOD5等)、无机物(总氮、总磷等)、病原指示微生物(粪大肠菌群、大肠埃希氏菌等)、金属离子(铁、锰等)、溶解性总固体等指标的浓度限值。

  在国际标准方面,日本为国际标准化组织水回用技术委员会(ISO/TC282)的积极成员国,且担任水回用系统风险与性能评价分技术委员会(ISO/TC282/SC3)的秘书处。截至目前,ISO/TC282总共发布的32项国际标准中,由日本牵头发布了10项国际标准(见表4),内容涵盖水回用系统健康风险评价与管理、水回用处理技术性能评价(包括臭氧处理、紫外线消毒、膜过滤、离子交换与电渗析、高级氧化等)、水回用水质分级等方面。

  2  日本再生水利用典型案例

  2.1  东京(都)

  东京面临旱期供水稳定性下降、河流流量减少、公共水域水质恶化、地下水污染、地下水位下降引起地面沉降、城市内涝等众多水环境问题。为保证供水安全、恢复公共环境,东京积极开展再生水利用实践。早在1955年,东京三河岛污水处理厂就开始将排水试供工业用水。而严格意义上的再生水利用始于1984年,由落合污水处理厂向新宿副中心地区供应经深度处理后的再生水。同年,东京开展了“清流复活项目”,向已经干涸的中小河流和灌溉渠补给再生水,该项目支撑了周边河流的生态环境修复,开创了日本清流复活的先河。到2003年,东京都颁布《促进有效用水纲要》政策,规定特定建筑需将再生水用于冲厕、景观环境和道路清扫等用途,进一步推进了再生水的利用发展。同年,东京颁布了地方标准《水的有效利用设施指南》,规定了再生水用于冲厕用水和其他杂用水的水质要求,保障了再生水利用的安全性。

  目前,东京再生水利用分为就地循环、局域循环和广域循环3种模式,分别指建筑物内部处理后利用、小规模处理设施处理后利用和大规模集中式污水处理厂处理后利用。截至2017年末,东京共有812个再生水利用设施,其中采用就地循环模式的有439个,采用局域循环模式的有183个,采用广域循环模式的有190个。前两种利用模式在早期也曾被称为“中水”,主要用作城市杂用水;广域循环模式通常称为“再生水”,有更广泛的用途。2020年,东京广域循环模式再生水系统的利用率为3.1%,其中东京市区(包括23区)的利用率为1.9%,东京流域(除市区以外的其他区域)的利用率为8.6%,就地和局域循环模式再生水系统的利用情况未纳入统计。

  图1为东京市区污水处理及再生水利用历年变化情况。2008-2020年,东京市区的污水处理量在15.6亿~18亿立方米/年,再生水利用量在2864万~3548万立方米/年,再生水利用率稳定保持在2%左右。其中,2018年再生水利用量约为3450万立方米,污水处理总量约为15.6亿立方米,再生水利用率为历年中最高,约为2.2%。

  表5为2020年东京市区典型区域的再生水厂供水和再生水利用情况。可以看出,东京市区的再生水主要利用途径为景观环境用水,约2652万立方米/年,占再生水利用总量的86.3%,其次是城市杂用,约409万立方米/年,占再生水利用总量的13.3%,工业用水比例不足1%。

  东京市区再生水厂根据不同供应范围和利用途径,所采用的处理工艺有所不同。以落合和有明再生水厂为例:

  (1)落合再生水厂。该厂于1964年正式投入运行,1984年升级为再生水厂,污水处理能力达45万立方米/天,2020年污水处理量为30.5万立方米/天,再生水生产量为7.5万立方米/天。水厂采用的污水处理工艺为AAO工艺,二级出水经砂滤和氯消毒后排入神田川,部分用作周边地区的冲厕用水和景观环境用水;另一部分再生水经反渗透膜过滤进一步处理后,用作娱乐性景观环境用水(50立方米/天)。

  (2)有明再生水厂。该厂于1995年正式投入运行,1996年开始供应再生水,污水处理能力达3万立方米/天,2020年污水处理量为1.2万立方米/天,再生水生产量为1316立方米/天。水厂采用的污水处理工艺为AAO工艺,二级出水经生物膜过滤和氯消毒后排入东京湾(有明西运河);部分再经臭氧氧化后,用作再生水厂内部机械设备清洗、冷却用水、临海副都心建筑的冲厕用水以及东京临海新交通临海线(百合海鸥号)的车体清洗用水。

  东京市区的再生水水价按住宅和非住宅区域分别收费,不考虑取水口直径和用水量。式(1)为住宅区域的再生水水价,式(2)为非住宅区域的再生水水价。

  再生水水价=用水量(立方米)×100(日元)+消费税 (1)

  再生水水价=用水量(立方米)×260(日元)+消费税 (2)

  东京的自来水水价(见表6)采取阶梯式收费方式,并根据不同取水口径,收取860~816145日元不等的月租费,而再生水水价不含月租费,单价相对便宜,在价格上具有一定的优势。

  2.2  福冈市

  福冈市内缺乏一级河川(指由国土交通大臣指定,政令规定的对国土保护或国民经济有特别重要意义的江河),常受干旱影响。1978年,福冈市遭遇了大旱灾,限制居民用水长达287天。同年,福冈市制定了《福冈市节水用水措施指南》,开始寻求替代水源来保障旱灾时的供水安全。次年,福冈市启动了“污水循环利用示范项目”(现称为“中水利用污水项目”)。1980年,福冈市在日本全国率先使用再生水作为冲厕用水。2003年,福冈市道路下水局颁布的《福冈市节水推进条例》代替了《福冈市节水用水措施指南》,旨在进一步推进福冈市“节水型城市建设”。同年,福冈市执行了“福冈市再生水利用下水道事业条例”,其规定了再生水的供应区域和价格,以保障再生水的正确使用、促进再生水的普及与推广。至今,福冈市已向1528公顷范围的供水区域内501个设施供应再生水,日均供水量约4652立方米/天(最大约6323立方米/天),再生水已成为福冈市重要的替代性水源。

  福冈市的再生水处理厂由中部再生水处理厂和东部再生水处理厂组成。中部再生水处理厂于1980年6月1日开始启用,其二级出水经混凝沉淀、预纤维过滤、臭氧氧化、氯消毒和成品纤维过滤等环节进行进一步深度处理,设计处理能力为10万立方米/天,供水区域范围达1020公顷。东部再生水处理厂于2003年7月7日开始启用,其二级出水经混凝沉淀、臭氧氧化、生物膜过滤和氯消毒等环节进行进一步深度处理,设计处理能力为1600立方米/天,供水区域范围达508公顷。这两个处理厂的再生水主要利用途径为大型建筑物冲厕用水和公园、街道等城市绿化用水。2019年福冈市典型再生水厂出水水质及标准要求如表7所示。

  福冈市的再生水水价按照用水量采取三段阶梯式收费方式,每月再生水用水量在1~100立方米,水价为150日元/立方米(未含税,下同),每月再生水用水量在100~300立方米,水价为300日元/立方米,每月再生水用水量在超过300立方米,水价为350日元/立方米。福冈市的自来水水价采取阶梯式收费方式,并根据不同取水口径,收取1700~1892000日元不等的月租费,而再生水水价不含月租费,单价相对便宜,在价格上具有一定优势。

  2.3  那霸市

  冲绳县是日本缺水最为严重的地区之一,其大部分水资源集中在北部山区,但过度开发水资源会破坏山区生态系统。冲绳县也是著名的观光县,旺季的旅游人口众多,加剧了供水压力。为保护自然环境、保障水资源稳定供给、建设无旱社区,冲绳地方政府制定了独特的水资源管理战略,修建了水坝、地下水坝、海水淡化厂和水资源回收设施。

  那霸市是冲绳县的县厅所在地,其制定了《推进那霸市水资源有效利用纲要》,于1999年正式开展再生水利用工作。那霸市再生水厂的再生水经生物膜过滤、臭氧处理、氯消毒等处理工艺后,主要用于冲厕用水和道路清扫用水等。再生水的供应范围包括水厂周边的公共设施、总建筑面积3000平方米以上的商业和商业设施等。那霸市的再生水水质标准包含对pH、余氯、大肠杆菌、嗅味和色度5个水质指标的限值。

  那霸市再生水水价按住宅区域和非住宅区域分别定价,住宅区域再生水水价为140日元/立方米(未含税,下同),非住宅区域再生水水价为200日元/立方米。此外,如存在公共利益或者其他特殊原因时,可以减免再生水费或者滞纳金。那霸市的自来水水价采取阶梯式收费方式,并根据不同取水口径,收取631~105518日元不等的月租费,而再生水水价不含月租费,单价相对便宜,在价格上具有一定优势。

  3  结论

  日本全国的再生水利用量和利用率较低,再生水利用主要集中于缺水地区,因此,日本再生水利用政策以推广为主。政策涵盖理念推广、处理技术、工程实践、法律法规、经济支撑等多个层面。全国推广的政策较为宽松,缺水地区政策相对严格,地方再生水利用发展灵活。针对集中式和分散式污水再生处理系统,日本分别出台了再生水用于冲厕用水、城市绿化、景观环境用水等不同用途水质要求的国家标准。值得注意的是,日本的再生水利用途径广泛且分类细致,但现有国家标准仅对部分再生水用途的水质进行了规定,且水质指标类别较少、浓度限值要求较低。此外,日本牵头了多项再生水国际标准的制定,为全球和日本再生水利用工作提供了专业指导和技术支持。

  日本不同城市再生水利用实践各具特色。东京作为经济发达、人口密集城市的代表,其再生水主要利用途径为景观环境利用和城市杂用,所涉及的再生水处理工艺和利用模式较为广泛多样,再生水水价按住宅区和非住宅区价格分别收费;东京还颁布了强制性再生水利用政策和标准。福冈和那霸作为干旱频发、水资源短缺城市的代表,其再生水主要利用途径为城市杂用,政府也出台了再生水相关政策标准,以鼓励和推广再生水的利用。

  来源:给水排水,2023。49(6)    作者:陈卓  陆慧闽  刘方华  王方  高强  郝姝然  闫晗  胡洪营